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Frequenzmeßeinrichtung zur Fernsteuerung oder Fernmessung Bei Fernmeß-
oder Fernsteuerungseinrichtungen verwendet man zur Kennzeichnung der zu übertragenden
Meß- oder Steuerwerte einen Signalstrom, bestehend aus gewöhnlichen Wechselströmen
oder Impulsreihen, dessen Frequenz durch die Steuerwerte bestimmt ist. Zur Rückumwandlung
dieser Signalströme in die entsprechenden Steuer-oder Meßwerte dient eine Frequenzmeßeinrichtung,
an welche hohe Anforderungen hinsichilich Genauigkeit und Betriebssicherheit gestellt
werden. Es wird verlangt, daß einerseits das Ansprechen der Frequenzmeßeinrichtung
möglichst unabhängig ist von Änderungen der hierzu benötigten Hilfsapparate wie
der zusätzlichen Stromquellen u. dgl. und andrerseits auch die Wirkungsweise von
Amplitudenschwankungen der primären Signal ströme oder Stromimpulse nicht beeinträchtigt
wird.
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Mit den üblichen mechanischen Relais oder Zähleinrichtungen, deren
Anwendung nur auf kleine Impulszahlen beschränkt ist, lassen sich diese Anforderungen
kaum erfüllen. Man hat daher zu diesem Zweck Frequenzmeßeinrichtungen verwendet,
welche im wesentlichen die in der Wechselstromtechnik üblichen komplexen Brücken-
und Sompensationsschaltungen verwenden. Um ein selbsttätiges Anzeigen der Frequenz
zu erreichen, wird eine automatische Abgleichung der Brücke angestrebt. Häufig wird
hierbei der Nullzweig der Brücke entweder unmittelbar oder über eine Verstärkereinrichtung
mit zwei den beiden Abgleichrichtungen entsprechenden wattmetrischen Geräten verbunden
und die der reellen und imaginären ~ Komponente zugeordneten Abgleichmittel durch
diese wattmetrischen Geräte so beeinflußt, daß der Nullzweig selbsttätig stromlos
wird. Die beiden
wattmetrischen Geräte bestehen dann vorzugsweise
aus fremderregten Elektrodynamometern oder aus gleichzeitig als phasenabhängige
Nullindikatoren und Umkehrmotoren wirkenden Induktionszählermeßwerken, die,'): unter
Zwischenschaltung weiterer Verstärke@ mit dem Nullzweig verbunden sind.
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Zur Frequenzmessung sind ferner Einrichtungen bekanntgeworden, welche
den großen Aufwand an Hilfsapparaten vermeiden, wie es bei den Brücken-und Kompensationsschaltungen
unumgänglich erscheint. Diese Einrichtungen beruhen im wesentlichen darauf, mittels
zweier Gasentladungsröhren einen Kondensator abwechselnd bei jeder Halbwelle der
Meßspannung umzuladen und den zeitlichen Mittelwert der Ladestromstöße zur Frequenzanzeige
zu gebrauchen. Es ist dabei bekannt, die Röhren hintereinanderzuschalten, so daß
die Kathode der ersten mit der Anode der zweiten über eine Impedanz verbunden ist.
Die Meßspannung wird hierbei zuerst auf eine Gegentakteingangsschaltung gegeben,
mit welcher den Gittern der heiden Gasentladungsröhren Steuerspannungen in Gegentakt
aufgedrückt werden. Die eine Halbwelle der Meßspannung verursacht zunächst die Zündung
der einen Gasentladungsröhre, die dann den Kondensator auflädt und darauf selbsttätig
wieder löscht. Die folgende Halbwelle der Meßspannung mit umgekehrtem Vorzeichen
bringt dann die zweite Gasentladungsröhre zum Ansprechen, die den Kondensator zuerst
entlädt und dann mit umgekehrtem Vorzeichen wieder auflädt und nach erfolgter Aufladung
ebenfalls selbsttätig löscht. Der solcherart entstehende, durch die Gasentladungsröhren
fließende zeitliche Mittelwert des Gleichstromes ist sodann ein Maß für die Frequenz
der Meßspannung. Für Fernmeß- oder Fernsteuerungseinrichtungen ist jedoch diese
Anordnung der Frequenzmessulig vielfach nicht geeignet, weil die Meßspannung ein
Nvedselstrom sein muß, bei welchem die positiven und negativen Halbwellen denselben
zeitlichen Verlauf haben und zudem um genau I80 elektrische Grade gegeneinander
versetzt sein müssen, was doch nicht immer der Fall ist. Außerdem ist es erforderlich,
daß die Kurvenform der Meßspannung bei sämtlichen Frequenzen in gewissen Grenzen
dieselbe bleibt. Die in Fernmeß-oder Fernsteuerungseinrichtungen benutzten Gleichstromimpulse
können also damit kaum oder nur bei schlechter Ausnutzung der Gasentladungsröhren
gezählt werden. Für Fernmeßzweche wurde daher noch eine weitere Schaltung vorgeschlagen,
bei der die beiden Röhren in bezug auf die Anodenspannungsquelle parallel zueinander
liegen und Anordnung und Schaltung so getroffen sind, daß nur die eine Röhre die
Aufladung des Kondensators verursacht und die andere nach erfolgter Ladung des Kondensators
seine Umladung yornimmt.
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Die Erfindung betrifft nun ebenfalls eine .¼iordnung für Fernmeß-
und -steuerzwecke. die frei von den oben angegebenen Mängeln ist, und besteht darin,
daß die zweite Gasentladungsröhre selbsttätig die Entladung des Kondensators nach
einer von dem zu messenden Signal unabhängigen Zeit vornimmt.
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Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Frequenzmeßeinrichtung ist
in der Figur schematisch dargestellt. R1 und R2 sind die beiden Gasentladungsröhren,
deren Steuerung mittels der eingezeichneten Gitter erfolgt. An die Kathoden dieser
beiden Röhren sind die Widerstände W, bzw. W2 angeschlossen.
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Die derart entstehenden Zweipole, gebildet aus Röhre und Widerstand,
liegen in Reihe an der Anodenspannungsquelle B. Der Kippkondensator K ist an die
Kathoden der beiden Röhren angeschlossen. Die am Pluspol der Anodenspannungsquelle
liegende Röhre R1 erhält eine feste negative Gittervorspannung T-1 gegen das von
der Kathode abgewandte Ende des Widerstandes Wi, wobei die hinsichtlich der Frequenz
zu bestimmenden Wechselströme oder Stromimpulse dieser Gittervorspannung am besten
mittels eines Eingangsübertragers T überlagert werden. Der Gitterkreis der Röhre
je ist entsprechend ausgebildet, mit dein Unterschied, daß an Stelle des Transformators
T der Widerstand W0 tritt, dessen Funktion in Verbindung mit der Kapazität C weiter
unten angegeben wird. Ferner enthält der Anodenstromkreis ein NIaximalstromrelais
S<1, welches die Spannungsquelle B abschaltet oder kurzzeitig unterbricht, wenn
ein bestimmter Entladestrom während eines längeren Zeitabschnittes überschritten
wird.
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Außerderm ist ein mit der Spannungsquelle B in Reihe liegendes Minimalstromrelais
Si vorgesehen. Die Drosselspulen L1 und L2 sollen vorerst zur Erklärung der prinzipiellen
Wirkungsweise als nicht vorhanden bzw. als kurzgeschlossen angesehen werden.
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Es sei angenommen, daß die Vorspannungen V1 und V derart gewählt
sind, daß bei Abwesenheit eines Signals die Röhren R1 und R2 beide Sperren. dann
findet eine rein kapazitive Spannungsteilung der Anodenspannung B statt, die durch
die gegenseitigen Verhältnisse der beiden Kapazitäten Kathodeanode der Röhren R1
und R2 und der Kapazität des Kippkondensators K bestimmt ist.
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Da K gegenüber diesen Röhrenkapazitäten groß ist, wird an der Röhre
R2 nahezu keine, an der Röhre R1 hingegen nahezu die gesamte Batteriespannung anliegen.
Die Gittervorspannung G wird nun so hoch gewählt, daß
unter Berücksichtigung
des Durchgriffs der Anode durch das Steuergitter die Röhre nur dann zünden kann,
wenn eine an die mit dem Wechselstromzeichen versehenen Klemmen angelegte Signal-
oder Meßspannung der negativen Gittervorspannung entgegenwirkt und eine entsprechende
Minimalamplitude aufweist. Gleichzeitig ist dafür zu sorgen, daß die Restspannung
an der Röhre R2 kleiner ist als die normale Brennspannung. Löst nun ein Signal an
sich beliebiger Flankensteilheit den Zündvorgang an Rt aus, dann fließt durch die
Kapazität K so lange ein Ladestrom, bis die Spannung an K etwa gleich der Differenzspannung
zwischen Anoden- und Brennspannung der Röhre ist. Wenn eine solche Spannung erreicht
ist, erlischt die Entladung in Rt, weil eine weitere Nachlieferung von Elektronen
durch die aufgeladene Kapazität K verhindert wird. Zu diesem Zweck muß vermieden
werden, daß die Röhre R2 während der Aufladung von IC zündet. Zunächst ist ersichtlich,
daß während dieses Ladevorganges an W2 ein Spannungsabfall entsteht, welcher das
Gitter bezüglich der Kathode auf stark negatives Potential bringt und die Zündung
von R2 anfänglich verhindert. Dieser Spannungsabfall nimmt jedoch mit fortschreitenderLadung
von K stetig ab, sodaß schließlich bei nahezu geladenem Kondensator ein Zünden von
R2 nicht sicher verhindert werden kann. Um dieses schädliche Zünden von R2 und damit
das gleichzeitige Fließen von Entladungsströmen in R1 und R2 unmöglich zu machen,
ist der Kondensator C vorgesehen, welcher in Verbindung mit dem Widerstand W0 die
Gittervorspannung von R2 noch so lange genügend negativ hält, bis die Röhre wieder
gelöscht hat, d. h. bis der Kippkondensator K voll aufgeladen ist. Es wird damit
also erreicht, daß erst nach einer bestimmten Verzögerungszeit, vom Zeitpunkt des
Löschens von Rt an gerechnet, die Gittervorspannung von R2 den durch V2 gegebenen
Wert erreicht. Die Spannung V wird nun derart gewählt, daß bei der nunmehr an R2
anliegen den Ladespannung von K die Röhre R2 zündet und den Kondensator selbsttätig
entlädt. Während dieses Entladevorgangs muß nun umgekehrt verhindert werden, daß
R1 aus irgendwelchen Gründen frühzeitig von neuem zündet. Wie aus dem Schaltbild
ersichtlich, entsteht nun beim Entladen von K über R2 am Widerstand W1 ein Spannungsabfall,
welcher das Gitter von Ra so hoch negativ vorspannt, daß selbst bei Anwesenheit
eines Signals die Röhre nicht zünden kann. Weil dieser Spannungsabfall an Rs gegen
das Ende der Entladung von K nur noch eine geringe zusätzliche Sperrspannung am
Gitter von Rt erzeugt, ergibt sich als Betriebsbedingung, daß der gesamte Zeitabschnitt,
gebildet aus der Ladezeit von K, der Entladezeit von K und der zwischen beiden liegenden,
durch W0 und C bestimmten Verzögerungszeit, noch kleiner sein muß als die Periodendauer
der höchsten zur Verwendung kommenden Frequenz der Wechselströme oder Stromimpulse.
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Die Verwendung von lade- und entladezeitverkürzenden Mitteln erscheint
demnach zweckmäßig, wenn ein hoher mittlerer Gleichstrom durch die Anzeige- oder
Relaisvorrichtung fließen soll und gleichzeitig hohe Tmpulsfrequenzen zur Anwendung
gelangen.
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Hierfür sind im Ausführungsbeispiel die Drosselspulen L1 und L vorgesehen,
wobei L1 eine rasche Ladung von K und L2 eine rasche Entladung des Kippkondensators
ermöglicht.
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Fiir den Fall, daß dauernd in der Nähe der höchsten Betriebsfrequenz
gearbeitet wird und demnach unter Umständen bei Anwesenheit starker Störspannungen
beide Röhren infolge der Unterschreitung des gesamten minimalen Zeitabschnittes
zwischen aufeinanderfolgenden Spannungsspitzen zünden, ist das Maximalstromrelais
S vorgesehen, welches dann die Spannungsquelle B von den Entladeröhren abschaltet
oder auch nur kurzzeitig unterbricht, die Entladungen in beiden Röhren löscht und
die Einrichtungen von neuem in betriebs fertigen Zustand bringt.
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Der zu verarbeitende Frequenzbereich kann durch einfache Änderung
der Konstanten des Lade- und Entladekreises sowie der für die gegenseitige Verriegelung
der Röhren dienenden Verzögerungsschaltung z.B. mittels der Kondensatoren C und
K weitgehend eingestellt werden. Die obere Frequenzgrenze, die unter Verwendung
der üblichen Schaltelemente etwa bei einigen tausend Stromstößen je Sekunde liegt,
ist hauptsächlich durch die schädlichen Kapazitäten der Gasentladungsröhren gegeben,
d. h. wenn der Kippkondensator K mit diesen schädlichen Kapazitäten vergleichbar
wird. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber bekannten Einrichtungen, die ebenfalls
mittels Kondensatorladungen arbeiten, besteht darin, daß es möglich ist, auch bei
sehr kleinen Impulszahlen, wie sie bei Fernmeß- und Fernsteuerungseinrichtungen
vorkommen, die erzielbaren mittleren Gleichströme nicht absinken zu lassen, sondern
durch entsprechende Bemessung der Schaltelemente sie auf solchen Werten zu halten,
die gestatten, die in der Starkstromtechnik üblichen Relais zu betreiben.
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Beispielsweise erhält man Ladeströme von über 1 Amp. bei einer höchstzulässigen
Impulsfrequenz von etwa 35 unter Verwendung üblicher Gasentladeröhren mit irreversibler
Steuercharakteristik bei folgenden Werten:
W1 = W2 = 100 Ohm, W0
= 500 Ohm, C = 4M.F., K = M.F., V2 = 0 volt; V1 9,5 Volt für Röhren mit I,6 wo Durchgriff
bei etwa 300 Volt Andodenspannung. Die Ladezeit und die Entladezeit des Kippkondensators
ist etwa je 1 1 m/Sek., während die Verzögerungszeit zwischen beendeter Ladung und
beginnender Entladung dann ungefähr 2m/Sek. beträgt. Die Selbstinduktionen L1 und
L2 können unter dieser Bedingung je 0.4 H. betragen.
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Die Genauiglieit der Schaltung ist außer von der unvermeidlichen
Inkonstanz des Kippkondensators im Betrag von etwa 1 01o hauptsächlich durch die
Schwankungen der Anodenspannung gegeben. Ebenso sind auch Schwankungen der Brennspannung
der Röhren und damit indirekt die Kathodentemperatur maRgebend. Bei reichlich bemessenen
Glühkathoden kann dieser letztgenannte Einfluß durch gleichbleibende Heizspannung
beseitigt werden. Die Vorspannungen l"'i und V sind im allgemeinen nicht kritisch
und bedürfen keiner besonderen Überwachung. Am besten hat es sich erwiesen, die
Anodenspannung B, die Heizspannungen für die indirekt geheizten Kathoden der Röhren
und die Vorspannungen V1, V2 mittels Gleichrichter und zugeordneter Siebketten aus
einem Netzanschlußgerät zu gewinnen, wobei die Überwachung insbesondere der Anoden-
und Heizspannung der Röhren durch einen selbsttätig arbeitenden Schnellregler übernommen
werden kann, der auf der Primärseite der Netzanschlußgeräte liegt. Es können selbstverständlich
auch andere bekannte Mittel, wie Eisenwasserstoffwiderstände, Glimmstreckenspannungsteiler
u. dgl., Verwendung finden.
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Außerdem kann es insbesondere bei kleinen Impuls- oder Wechselstromfrequenzen
vorteilhaft sein, vor die Anzeige- oder Relaisvorrichtung f ein Tiefpaßfilter zu
legen, dessen Grenzfrequenz kleiner ist als die niedrigste Impulsfrequenz, oder
die Anzeigevorrichtung selbst mittels geeigneter Mittel zu dämpfen, damit nicht
die einzelnen Stromstöße, sondern nur der Gleichstrommittelwert aufgezeichnet oder
angezeigt wird. Für kleinere Impulsfrequenzen kann an Stelle des Eingangstransformators
die in der Verstärkertechnik übliche Drossel-Kapazitätskopplung oder auch die Widerstands-Kapazitätskopplung
angewendet werden. Voraussetzung dabie ist dann, daß die Vorspannungsbatterie V1
gegenüber Erde ein gleichbleibendes Ptential aufweist oder am besten unmittelbar
geerdet ist. Um eine Fehlanzeige zu vermeiden, ist es möglich, die außer der Meßspannung
auch die Netzspannung führende ankommende Leitung über eine siebkette in Form eines
weiteren Tiefpaßfilters an die Eingangsklemmen zu legen wobei die Grenzfrequenz
dieses Filters etwa der höchsten zu übertragenden Meßfrequenz entspricht. Für denselhen
Zweck dient ferner eine nicht eingezeichnete metallische und vorzugsweise geerdete
Nbschirmung der gesamten Schaltung, damit ein Einfluß irgendwelcher Störspannungen,
beispielsweise verursacht durch Schaltvorgänge in den Maschinenstroml ; reisen,
die vom Relais A gesteuert werden, auf die Kippschaltung verhindert wird. Um die
in Fernmeß- oder Fernsteuerungseinrichtungen notwendige Betriebssicherheit zu ermöglichen
und hauptsächlich den Einfluß der Alterung der Gasentladungsröhren zu beseitigen,
kann in der Schaltung jede der beiden Röhren durch eine Parallelschaltung von wenigstens
zwei gleichartigen Röhren ersetzt werden. Wegen der stets vorhandenen Unterschiede
zündet jeweils nur diejenige Röhre der Parallelschaltung welche die kleinste Breunspannung
oder die günstigste Charakteristik hat. Verändern sich die Betriebsbedingungen dieser
Röhre nach längerem Gebrauch, dann wird selbsttätig eine der andern, noch nicht
gebrauchten Röhren der Parallelschaltung die Ladung bzw. Entladung des Kippkondensators
übernehmen. Als weitere Sicherung ist ferner ein illinimalstromrelais Si in Reihe
mit der Anzeigevorrichtung. 4 gelegt, welches anspricht, sobald aus irgendwelcher
Ursache, beispielsweise durch das Ausbleiben der Impulse, wegen defekter Röhren
oder Hilfsgeräte u. dgl., der pulsierende Gleichstrom aussetzt oder auch nur unter
einen bestimmten Nfinimalwert sinkt. Mittels dieses Relais Si wird dann ein aus
Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichneter Signalstromkreis ausgelöst.
welcher diesen anormalen Betriebszustand meldet. Der Signalstromkreis kann auch
dazu benutzt werden, beim Ansprechen des Relais Si die von der Fernmeßeinrichtung
gesteuerten Maschinen oder Apparate selbsttätig stillzusetzen.
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Wie die eingangs genannten bekannten Anordnungen läßt sich auch die
neue Frequenzmeßeinrichtung zur Summen- oder Differenzbildung von Frequenzen mehrerer
ankommenden Wechselströme oder Stromimpulse benutzen, wobei diese je auf eine gesonderte
Kippschaltung der beschriebenen Art geführt werden, aber nur eine gemeinsame Anzeige-oder
Relaisvorrichtung vorgesehen ist, die auf den Summen- oder Differenzwert der erzeugten
pulsierenden Gleichströme anspricht.